鈉離子電池向前邁出了堅實的一步

東京理科大學的研究人員解決了鈉離子電池的（許多）挑戰(zhàn)之一，并發(fā)現(xiàn)了為什么相關材料如此有效。該材料是 β-NaMnO2，一種層狀錳氧化鈉，被提議作為鈉離子穿梭進出的電極材料。

如果表現(xiàn)良好，β-NaMnO2 將具有 MnO2 的波紋平面，中間夾有鈉原子（上圖）。

不幸的是，據(jù)該大學稱，合成材料通常需要的高溫通常會導致鈉缺乏。

相反，糾正這些缺陷的嘗試會導致晶體 b-c 平面零星滑動，從而產(chǎn)生所謂的“堆疊故障”（上圖）。

這些不會保持固定，如果在鈉離子電池中使用 β-NaMnO2，反而會變得越來越糟糕。

該大學表示：“由堆疊含故障的 β-NaMnO2 制成的電極在充放電循環(huán)期間容量嚴重降低，限制了其實際應用。

最重要的是，這些堆疊故障阻礙了對這種錳氧化鈉的基本固態(tài)化學研究，因為它們阻礙了某些分析技術。

該大學駒場真一教授領導的一個團隊此前曾表明，用銅原子取代一些錳原子可以通過輕微的尺寸差異穩(wěn)定β-NaMnO2。

然后，它開始研究銅摻雜是否可以消除堆疊故障。

第二個項目的結(jié)果剛剛公布，結(jié)果表明，銅摻雜不僅可以首先阻止堆疊故障的形成，還可以在許多充電循環(huán)中阻止它們。

駒場的科學家系統(tǒng)地摻雜了不同數(shù)量的銅，并使用同步加速器 X 射線衍射表明，用銅替換 5% 的錳原子留下了 4.4% 的堆疊故障評分，該大學表示，12% 的銅將其降至 0.3%，15% 的銅意味著 ~0 個堆疊故障，“表明隨著銅摻雜的增加，明顯抑制了堆疊故障”。

在電化學半電池中的評估表明，對于未摻雜的 β-NaMnO2，在 30 次充放電循環(huán)內(nèi)快速存儲容量損失，并且在 12% 銅的 150 次循環(huán)中沒有容量損失。

“這些結(jié)果表明，當消除堆疊故障時，層狀 NaMnO2 的 β 相本質(zhì)上是穩(wěn)定的，”該大學說。

在沒有堆疊故障進行破壞分析的情況下，該團隊還首次能夠深入研究固態(tài)化學，以找出鈉離子進入和離開未腐蝕晶體時會發(fā)生什么。

X 射線衍射加上理論密度函數(shù)計算表明，當鈉離子進出時，MnO2 層可以相互滑動（上圖），這受到堆疊斷層的抑制。

“我們的研究結(jié)果證實，錳基氧化物是開發(fā)耐用鈉離子電池的一種有前途的解決方案，”駒場說。

研究結(jié)果已發(fā)表在《先進材料》雜志上，題為“疊層無故障 β-NaMnO2 的合成和電化學”